专利名称：用于电开关器件的栅极驱动器单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及对栅控电开关器件的控制，栅控电开关器件诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极结晶体管(BJT)等等。特别地，本发明涉及如下情况开关器件并联连接在源与负载之间，从而需要按照使得在所有工作模式期间在并联连接的开关器件之间均匀地共享负载电流的方式来控制开关器件。
背景技术：
并联连接的开关器件通常用在需要高电流流量的应用中。在对高电流的交流(AC) 负载或直流(DC)负载馈电的逆变器桥中尤其需要并联连接。与并联连接的开关器件有关的问题是通过开关器件的电流很少被均匀地平衡。 图I示出了针对三个并联连接的IGBT的未补偿的示意性电流波形的示例。这些波形示出了由于接通时间和关断时间的差异而不平衡的电流分布。不平衡的电流引起开关器件的不均匀的耗损。不均匀的耗损又减少开关器件的寿命。此外，与电流平衡时相比，不平衡的电流可以使得开关器件更快地达到其最大额定温度或最大额定电流。如在出版物B.Abdi, A. H. Ranjbar, K. Malekian, J. Milimonfared, and G. B. Gharehpetian,“Problems associated with parallel performance of high current semiconductor switches and their remedy” in Proc. Int. Symp. Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion SPEEDAM 2008, 2008, pp. 1379-1383 中所公开的，传统上，降低并联连接的功率电子开关器件的额定值或在电流路径中增加另外的无源部件以降低电流不平衡。然而，此方法可能效率差且成本高。如在出版物Fuji IGBT module application manual, www. fujisemiconductor, com, 2004中所公开的，选择具有相似特性的部件也用作解决该问题的手段。然而，挑选部件增加了生产成本。在出版物Dominik Bortis, Juergen Biela, Johann W. Kolar, “Active gate control for current balancing of parallel-connected IGBT modules in solid-state modulators，，，IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 36,no. 5,pp. 1379-1383 中，提出了通过栅控制电路实现的对有源电流的平衡。该出版物仅公开了对集中智能的利用。所公开的方法需要比较复杂的测量和通信系统来运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种方法及一种用于实现该方法的设备以缓解上述缺点。本发明的目的通过以独立权利要求中所陈述的内容为特征的方法及设备来实现。本发明的优选实施例在从属权利要求中被陈述。本发明基于如下思想使用具有分布式智能的智能栅极驱动器单元(intelligent gate driver unit,简称I⑶U)来控制如IGBT的并联连接的电开关器件。智能的目的是平衡开关器件的电流，甚至在动态开关事件中平衡开关器件的电流。I⑶U独立地执行所需的测量并在彼此之间建立所需的通信。IGDU可以使用主从控制结构或串级链控制结构，并将并联连接的开关器件的电流的瞬时差或时间积分差作为控制参数。此外，取代对电流进行平衡，也可以用智能栅极驱动器单元对温度进行平衡。而且，该思想也可以应用于对串联连接的功率模块的电压进行平衡。本发明的方法及设备的优点在于在动态开关事件中，不再需要降低并联连接的功率开关器件的额定值或增加无源部件来平衡电流。因此降低了成本。去除附加的无源部件也降低了总的功率损耗。分布式智能允许对个体开关器件进行更精确的控制以及对动态变化和故障进行更快的响应。该分布式智能也有利于规范对IGDU进行控制的上层控制算法以及上层控制算法与智能栅极驱动器单元之间的通信。
下面，将参照附图、借助优选实施例对本发明进行更详细的描述，其中图I示出了针对三个并联连接的IGBT的未补偿的示意性电流波形的示例；图2示出了并联连接的开关器件的简图；图3示出了本发明的实施例；图4示出了四个开关器件的开关时间的会聚；图5示出了在具有有源开关时间修正的情况下以及在没有有源开关时间修正的情况下所测得的波形；图6示出了本发明的实施例，其中使用了主从拓扑结构；以及图7示出了为了平衡并联连接的开关器件的电流而对开关事件进行的调节。
具体实施例方式根据本发明的设备包括两个或更多个并联连接或串联连接的电开关器件，每个开关器件包括控制端子。图2示出了并联连接的开关器件11至In的简图。在图2中，使用功率模块来实施开关器件11至In。功率模块例如可以包括单个开关器件，可以包括开关器件和反并联(续流)二极管(FWD)，如图2中所示，或者可以包括由这些部件构成的半桥。 在最实际的情况下，单个功率模块具有多于一个在内部并联连接的开关器件。在单个功率模块中还可以合并有其他新兴的拓扑结构。根据本发明的分散的有源栅极控制是通过对电流不平衡的计算和修正进行分布来完成的。因此，该设备包括一个或更多个智能栅极驱动器单元。在图2中，示出了电开关器件11至In的智能栅极驱动器单元21至2n。在一些实施例中，可以对开关器件的温度或开关器件上的电压进行平衡而非对电流进行平衡。每个智能栅极驱动器单元21至2n包括适于与开关器件11至In中的一个开关器件的控制端子连接的控制输出端C1至cn。在图2中，智能栅极驱动器单元21至2n中的每个智能栅极驱动器单元与开关器件11至In中的一个开关器件的控制端子连接。每个智能栅极驱动器单元21至2n控制开关器件11至In。优选地，智能栅极驱动器单元(IGDU)彼此等同，以降低制造成本。这些智能栅极驱动器单元都能够独立工作。
由于智能栅极驱动器单元必须能够控制与其连接的开关器件，所以每个智能栅极驱动器单元还包括用于从上层控制接收针对开关器件的接通命令和关断命令的装置。该上层控制基于控制算法(例如脉冲宽度调制(PWM)算法)来产生接通命令和关断命令，以实现期望的输出电压和电流。上层控制可以例如使用CPU来嵌入。这些I⑶U共享来自上层控制的同一控制输入cMf。该控制输入形成用于开关事件的基础，但实际的开关事件是根据这些IGDU中的智能和在这些IGDU之间共享的信息来调节的。不需要将信息传递回上层控制器以调节开关事件。智能栅极驱动器单元包括装置211至21n，装置211至21n用于接收与由智能栅极驱动器单元控制的开关器件的接通事件和关断事件有关的反馈信息。对动态电流共享进行平衡所需的最小信息分别是电流在接通事件和关断事件处的上升沿和下降沿。用于接收反馈信息的装置211至21n例如可以是具有边缘检测的电流测量装置。上升沿和下降沿可以通过用不同的方法(例如通过使用分流电阻器、电流传感器或罗果夫斯基(Rogowski)线圈)直接测量电流来识别。在图2中，装置31至3n用于电流测量。可以根据电流路径中的电感(例如键合电感)上的电压降或者借助与电流有关的值(例如半导体的栅极-发射极电压)来检测边缘。可以通过简单的比较器电路将边缘信息容易地转换为数字数据。如果在平衡过程中使用电流的瞬时值、平均值或均方根(RMS)值，那么就需要测量电流。为了对瞬时电流数据、平均电流数据或RMS电流数据进行数字化，IGDU中需要有模拟/数字(A/D)转换装置和采样算法。在一些实施例中，IGDU可以包括用于测量开关器件的温度差的温度的装置。为了获得与反馈信息进行比较的对象，智能栅极驱动器单元还包括装置221至 22n，装置221至22n用于接收与另外的开关器件的器件接通事件和器件关断事件有关的参考信息。参考接通事件和关断事件由受控于其他IGDU的开关器件引起。引起参考事件的开关器件不总是必须受控于IGDU。例如，在具有两个并联开关器件的实施例中，开关器件中的一个开关器件可以用传统栅极驱动器单元来控制。另一个开关器件用智能栅极驱动器单元来控制，其中，该智能栅极驱动器单元从受控于传统栅极驱动器单元的开关器件接收该智能栅极驱动器单元的参考信息。参考信息可以由其他IGDU产生。智能栅极驱动器单元中的一个或更多个智能栅极驱动器单元可以与其他智能栅极驱动器单元连接，以接收与受控于其他智能栅极驱动器单元的开关器件的接通事件和关断事件有关的参考信息。图3示出了本发明的实施例，其中，每个I⑶U 41至4n包括分别与图2中的装置211至21n、221至22n、及231至23n相似的装置411至41n、421至42n、及431至43n。除此之外，每个I⑶U 41至4n包括用于向其他I⑶U发送与开关事件有关的参考信息的装置441至44n。装置411至41n产生反馈信息，而装置441至44n根据该反馈信息产生待发送的参考信息。装置422至42n适于连接到装置441至44 (n-1)，用于接收另外的智能栅极驱动器单元的参考信息。每个IGDU测量与I⑶U连接的开关器件的开关事件，并向其他I⑶U发送该开关事件信息。换句话说，这些 I⑶U从其他I⑶U直接接收所述这些I⑶U的参考开关事件。另外的可能是除了能够检测与I⑶U连接的开关器件的事件之外，每个I⑶U还包括检测另外的开关器件的事件的装置。换句话说，智能栅极驱动器单元中的一个或更多个智能栅极驱动器单元连接到其他的开关器件以接收与接通事件和关断事件有关的参考信息。图2示出了这种情况。可以使用串级链(daisy chain)方式来对准开关事件的时间。在串级链方式中， 智能栅极驱动器单元形成适于从一个栅极驱动器单元向另一个栅极驱动器单元传递参考信息的串级链。例如，在图2中，左侧的IGDU总是右侧的IGDU的参考。从而，最终，最左侧的IGDU成为参考，但仅需要在相邻的IGDU之间建立通信。在本发明的一些实施例中，串级链中的第一开关器件不是必须由IGDU来控制。例如，如果如图2所示那样直接从外部电流测量装置接收反馈信息，那么第一栅极驱动器单元可以是传统的栅极驱动器单元。另外的方式是主从方式。在主从方式中，两个或更多个智能栅极驱动器单元的用于接收参考信息的装置连接到参考信息的一个源中。例如，可以选择一个IGDU作为主 IGDU，其中，该主IGDU的开关事件信息被传递给所有其余IGDU作为参考。然后，其余IGDU 基于该参考试图跟随主IGDU。主IGDU还可以是由传统的栅极驱动器单元控制的开关器件。 例如，如果其他的开关器件由直接从外部电流测量装置接收反馈信息的智能栅极驱动器单元来控制，那么主I⑶U并非必须是I⑶U。两种方法都是可以的并且方法的选择取决于具体的配置。例如，如果如图2所示那样IGDU测量其自己的电流及相邻的电流，那么串级链方法可以更自然。比较所需的最小参考信息是上升沿和下降沿的时间。此信息可以方便地通过使用电换能器(transducer)或光学换能器而被转换为数字信号。可以在I⑶U中或通过使用单独的装置来完成数据的测量以及将数据转换为数字形式。如果除了与开关事件有关的参考信息之外还在I⑶U之间传递其他信息，那么可以使用同一通道或者可以建立并联的通道。 如果使用同一通道，那么可能必须定义消息帧。可以自由地选择I⑶U的电势，并且I⑶U甚至可以共享同一电势。自然的选择是 每个I⑶U处于其正在控制的功率模块的电势下。在IGBT模块的情况下，这可以是辅助发射极的电势。在此情况下，虽然并联功率模块的功率端被电连接，但是，因为由功率模块和母线中的高的电流变化率和杂散电感所引起的暂态电压，所以必须隔离不同IGDU之间的通信。I⑶U本身可以包括所需的电隔离(galvanic isolation)。用于发送与开关事件有关的参考信息的装置或用于接收与开关事件有关的参考信息的装置例如可以包括电隔离。 电隔离还可以通过使用分离的装置来实现。反馈信息与参考信息一起用于确定不平衡的量。根据本发明的IGDU包括用于基于参考信息和反馈信息来计算控制参数的值的装置。在最简单的形式中，智能栅极驱动器单元包括用于基于所接收到的参考信息来确定参考开关器件事件的时间的装置、以及用于基于所接收到的反馈信息来确定开关器件事件的时间的装置。然后，基于开关器件事件与参考开关器件事件之间的时间差来计算控制参数。在本发明的一些实施例中，还可以使用并联连接的开关器件的电流的时间积分差。时间差和时间积分差可以单独或一起用作控制参数。在计算中可以使用一个或更多个之前事件。也可以将与温度或温度差有关的信息用作控制参数。根据本发明的IGDU还包括以下装置，该装置用于基于开关器件命令和控制参数来控制在输出端处的控制信号以控制开关器件。该控制例如可以借助调节开关时间或控制栅极电压来进行。控制目标可以是对开关器件之间的电流进行平衡。在本发明的一些实施例中，可以通过智能I⑶U来平衡温度而非平衡电流。为此，例如可以应用如下做法根据开关动作或甚至传导周期来协调排除开关器件。此外，还可以将该思想应用于对串联连接的功率模块的电压进行平衡。I⑶U还可以具有任务，诸如过电流保护和高级的栅极控制，所以I⑶U可以包括各种电压测量装置和温度测量装置。根据本发明的IGDU还可以包括用于向上层控制发送反馈信息的装置。这可以直接完成或经由并联的IGDU完成。通过使用根据本发明的方法，可以使并联连接的开关器件的开关事件的时间彼此更接近。图4示出了四个开关器件的开关时间的会聚。应用了与图2或图3中示出的方式相似的串级链策略。由于并联连接的开关器件的开关事件彼此接近，所以电流变得更平衡。图5示出了在具有有源开关时间修正的情况下以及在没有有源开关时间修正的情况下、针对两个并联开关所测得的波形。图5的上部示出了两个开关器件的上升沿与下降沿之间的大约为IOOns的差。这会引起电流的不平衡，特别是在下降沿时会引起电流的不平衡。图5的下部示出了由于更精确的控制而得到的较好的性能。电流实际上是相等的。图6示出了本发明的实施例，其中使用了主从方法。三个开关器件11至13并联连接。三个I⑶U 41至43对开关器件11至13进行控制。I⑶U 41至43是与图3中的器件相同的器件，而现在仅将一个主I⑶U 41用作源，用于其他的从I⑶U 42和43的参考。在本实施例中，调节开关事件以平衡并联连接的开关器件的电流。在图7中，示意地描述了图6中的实施例的工作原理。在开关动作i处，从I⑶U 42检测到其开关事件在主I⑶U 41开关事件之后发生并进行修正以使得开关事件更早地发生。从IGDU 43检测到其开关事件在主I⑶U 41开关事件之前发生并进行修正以使得开关事件稍后发生。在开关动作i+1处，从IGDU 42注意到开关延迟被过补偿并为稍后的开关事件进行修正。从I⑶U 43仍然在主I⑶U 41之前开关，并且修正是针对稍后的开关事件的。如图7所示，由于数字采样的抖动及其他假象，对开关时间的调节是正在进行的动作。对于本领域技术人员来说，明显的是可以以不同方式来实现本发明构思。此文件中的实施例公开了具有并联连接的开关器件的设备。然而，根据本发明的方法及智能栅极驱动器单元也可以与串联连接的电开关器件一起用于对开关器件上的电压进行平衡。本发明及其实施例不限制于以上描述的实施例而是可以在权利要求的范围内有所变化。
权利要求
1.一种设备，包括两个或更多个并联或串联连接的电开关器件，每个所述开关器件包括控制端子，其特征在于，所述设备包括一个或更多个智能栅极驱动器单元，所述智能栅极驱动器单元包括控制输出端，所述控制输出端连接到所述开关器件中的一个开关器件的所述控制端子，用于接收针对所述开关器件的接通命令和关断命令的装置，用于接收与所述开关器件的接通事件和关断事件有关的反馈信息的装置，用于接收与另外的开关器件的接通事件和关断事件有关的参考信息的装置，用于基于所述反馈信息和所述参考信息来计算用于控制参数的值的装置，以及用于基于所述开关器件命令和所述控制参数来控制在所述控制输出端处的控制信号以控制所述开关器件的装置。
2.根据权利要求I所述的设备，其特征在于，所述智能栅极驱动器单元包括用于基于所接收到的参考信息来确定参考开关器件事件的时间的装置，用于基于所接收到的反馈信息来确定开关器件事件的时间的装置，用于基于所述参考开关器件事件的时间和所述开关器件事件的时间来计算用于所述控制参数的值的装置，用于基于所述开关器件命令和所述控制参数来控制开关器件以减小所述参考开关器件事件与所述开关器件事件之间的时间差的装置。
3.根据权利要求I或2所述的设备，其特征在于，所述智能栅极驱动器单元包括用于向其他智能栅极驱动器单元发送所述参考信息的装置，所述装置适于与用于接收另外的智能栅极驱动器单元的参考信息的装置连接。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述智能栅极驱动器单元形成适于从一个栅极驱动器单元向另一个栅极驱动器单元传递参考信息的串级链。
5.根据权利要求I至3中任一项所述的设备，其特征在于，用于接收两个或更多个智能栅极驱动器单元的参考信息的装置连接到参考信息的一个源中。
6.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，用于向其他智能栅极驱动器单元发送参考信息的装置包括电隔离。
7.根据权利要求I至5中任一项所述的设备，其特征在于，用于接收参考信息的装置包括电隔尚。
8.一种用于在包括有多个开关器件的布置中通过使用一个或更多个智能栅极驱动器单元来控制所述开关器件的方法，其中所述开关器件包括控制端子，其特征在于，对于每个智能栅极驱动器单元，所述方法包括如下步骤接收用于开关器件的接通命令和关断命令，接收与所述多个开关器件中的一个开关器件的接通事件和关断事件有关的反馈信息， 接收与另外的开关器件的接通事件和关断事件有关的参考信息，基于所述参考信息和所述反馈信息来计算用于控制参数的值，基于所述开关器件命令和所述控制参数来控制在所述智能栅极驱动器单元的所述控制输出端处的控制信号，其中，所述输出端连接至所述开关器件的所述控制端子。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，从一个智能栅极驱动器单元向另一个智能栅极驱动器单元传递与开关事件有关的所述参考信息，从而形成串级链。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，选择一个智能栅极驱动器单元作为主智能栅极驱动器单元，其中，所述主智能栅极驱动器单元的开关事件信息被传送给所有其余的智能栅极驱动器单元作为参考。
全文摘要
本发明涉及使用具有分布式智能的智能栅极驱动器单元来控制如IGBT的并联连接的电开关器件。智能的目的是平衡开关器件的电流，甚至在动态开关事件中平衡开关器件的电流。智能栅极驱动器单元可以使用主从控制结构或串级链控制结构，并将并联连接的开关器件的电流的瞬时差或时间积分差作为控制参数。取代对电流进行平衡，也可以用智能栅极驱动器单元对温度进行平衡。该思想也可以应用于对串联连接的功率模块的电压进行平衡。
文档编号H03K17/567GK102545859SQ201110329959
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月20日 优先权日2010年10月22日
发明者亚尼克·洛布西格尔, 多米尼克·博尔蒂斯, 约翰·沃尔特·科拉尔, 马蒂·莱蒂宁 申请人:Abb研究有限公司